Автоматическое зарядно-тренирующее и измеряющее устройство для 12-вольтовых герметичных аккумуляторов (PIC12F675)

04.28.2014 ОБНОВЛЕНИЕ! Предлагаю вашему вниманию дополнения и улучшения к этому моему проекту на Датагоре: «Автоматическое зарядно-тренирующее и измеряющее устройство для 12-вольтовых герметичных аккумуляторов (PIC12F675). Часть 2».

На работе и в быту часто приходится сталкиваться с необслуживаемыми аккумуляторами на 12 Вольт, ёмкостью 7, 17 Ah (список можно продолжить). Я использую их в UPS, блоках сигнализации и как источники тока при поездках на природу. Об автоматическом зарядном устройстве задумывался давно, но кроме зарядки необходимо знать и состояние аккумулятора.
Аккумуляторы используемые для поездок используются сезонно и просто зарядив его нет в нем уверенности, а батарея, работающая в буферном режиме блока сигнализации требует хоть какой-то диагностики и тренировки.

Так и родилось устройство, позволяющее заряжать и разряжать аккумуляторы с измерением ёмкости в автоматическом режиме.

↑ Рабочий цикл

Полный цикл программы включает в себя четыре подцикла:
 — h1 — разряд АКБ до напряжения 10,7 Вольта;
 — h2 — заряд АКБ до напряжения 14,8 Вольта;
 — h3 — разряд АКБ до напряжения 10,7 Вольта;
 — h4 — заряд АКБ до напряжения 14,8 Вольта.
Для каждого под цикла измеряется емкость в Ампер-часах.
Есть возможность контроля текущего значения напряжения на АКБ.
Есть возможность пропустить не нужные циклы.
Например, сразу перейти на зарядку АКБ и останов (выбрав сразу цикл h4).
Основным показателем состояния аккумулятора является емкость, измеренная на третьем цикле.

↑ Схема

Устройством управляет микроконтроллер PIC12F675. В токозадающих цепочках использованы популярные стабилизаторы 7805 (DA1 и DA3) включенные по схеме стабилизации тока. Ток определяется сопротивлением резисторов R2 и R16.

Ток заряда/разряда я выбрал 600 мА. При таком токе на резисторах выделяется по 3 Ватта, поэтому я поставил по три резистора последовательно, каждый 2 Ватта. При таком соединении проще набрать сопротивление 8,3333 Ома, я набрал, из трех резисторов 3,3 + 3,3 + 1,74 Ома, класса точности 1% (для МЛТ — Р). Транзисторные ключи VT1 и VT3 включают цепи заряда, разряда. С делителя R10 — R12 снимается измерительное напряжение.
Блок индикации собран на двух сдвиговых регистрах, индикатор трехразрядный с общим анодом.
Параллельно резисторам R2, R16 подключены светодиоды для индикации заряд/разряд.

↑ Конструкция и детали

Конструктивно зарядное устройство (далее ЗУ) выполнено на печатной плате размером 100×80 мм, изготовленной с использованием ЛУ технологии. Несколько перемычек необходимо установить до монтажа элементов. Диоды VD1, VD3 кремниевые на прямой ток не менее 3 Ампер. Стабилизаторы DA1, DA3 можно заменить на КР142ЕН5А или аналогичные.

Транзисторы VT1, VT3 подойдут любые полевые с изолированным затвором, n-канальные на прямой ток не менее 5 А и напряжение сток — исток не менее 30 Вольт, я использовал транзисторы снятые со старых материнских плат.

Резистор R11 многооборотный, необходим для точной установки напряжения с делителя. Стабилитрон VD2 на 5 Вольт, у меня использован КС156. В блок индикации подойдут любые подходящие по размеру трехразрядные семисегментные индикаторы с общим анодом. Регистры К555ИР23 можно использовать других серий (155, 1533) или импортные аналоги SN74LS374.

На печатной плате, рядом с кнопкой имеются контакты для подключения выносной кнопки (если необходимо).


Стабилизаторы DA1, DA3 установлены на теплоотводе способном рассеять 5 Ватт тепловой мощности при приемлемой температуре радиатора. DA2, первоначально, был установлен на печатной плате, но для уменьшения высоты монтажа, перенесен на тот же теплоотвод, конструктивно, выполняющий роль задней стенки.
Транзисторы VT1 и VT3 установлены на плате со стороны печати.
Корпус конструкции выполнен из фольгированного стеклотекстолита и окрашен.
Надписи напечатаны на прозрачной матовой самоклеющейся пленке лазерном принтером.


Питается ЗУ от стандартного блока питания «вилкового» типа на 24 Вольта, 0,8 Ампер,
Можно использовать и другие подходящие блоки питания.
Напряжение питание не должно превышать 35 Вольт (ограничено параметрами DA1 и DA2), но увеличение напряжение негативно сказывается на КПД ЗУ.
Нижний предел напряжения питания ограничен минимальным напряжением на DA1 при котором достигается стабилизация (1,1в+2в+5в+15в=23,1в). При использовании БП с большими пульсациями выходного напряжения надо это значение учесть.

↑ Программа

Программа написана на ассемблере. Для увеличения точности измерения значения напряжения на аккумуляторной батареи, делается 8 измерений с последующим получением среднего арифметического. Контрастность индикатора составляет 1/100.

↑ Описание принципа вывода информации

Все значения емкости, напряжения выводятся на индикатор в 2 этапа:
 — в течении 1 секунды отображается название переменной (h1, h2, h3, h4, U)
Название переменной выводится с правым выравниванием.
 — в течении 6 секунд отображается значение переменной в формате ХХ, Х
Все значения выводятся с точностью до десятых, емкость в Ампер часах, напряжение в Вольтах.
Если выводимая переменная не соответствует текущему режиму то левее названия переменной отображается номер текущего режима отделенный точкой.
Примеры вывода:
— h2 — выполняется второй режим, значение емкости второго режима т. е. заряда;
— 3.h1 — выполняется режим третий (разряд), значение емкости первого режима;
— 3.U — текущий режим третий, значение напряжение на АКБ в данный момент.
В конце всех циклов заряд-разряд (после четвертого) на дисплей выводится End.

Листая переменные, в названии переменных выводится Eh2 (программа окончена емкость второго режима т. е. заряда).
В случае переполнения счетчика емкости (любой из циклов занял более 170 часов) прекращаются все режимы и на дисплей выводится Err. При листании значений в названии переменной выводится rh3 (ошибка измерения, емкость третьего цикла).

↑ Описание эксплуатации зарядного устройства

 — подключаем АКБ, подключаем питание, на индикаторе выводятся прочерки ---.
 — коротким нажатием на кнопку (менее 3 сек.) включаем начало программы.
На индикаторе выводится значение емкости первого режима (h1, разряд).
Когда напряжение на АКБ достигнет 10,7 Вольта, программа переходит на второй режим.
Заряд АКБ продолжается до напряжения 14,8 Вольта, на индикаторе значение емкости второго режима (h2, заряд).
Третий и четвертый циклы аналогичны.
После окончания четвертого цикла на индикатор выводится сигнал о окончании программы End.
Пропустить ненужные циклы можно длительным нажатием на кнопку (более 3 секунд), при этом на индикаторе будет выведен следующий режим. (длинное нажатие на первом цикле переключит устройство на второй, со 2 на 3 и т. д.).
При выполнении программы есть возможность листать переменные коротким нажатием на кнопку (менее 3 сек). Листание осуществляется по кругу (h1-h2-h3-h4-U-h1…) начиная с текущего режима.

После окончания программы устройство будет бесконечно долго находиться в режиме ожидания просмотра измеренных значений, одновременно поддерживая напряжение на АКБ в пределах 13,1 — 13,8 В.

При возникновении ошибки измерения устройство выключит все режимы и выдаст сообщения об ошибки Err, далее имеется возможность пролистать полученные значения.

Для надежного использования зарядного устройства необходимо как минимум 5 Вольт на клеммах АКБ. Подключив АКБ с нулевым начальным напряжением зарядное устройство начнет его заряжать, далее будет зависеть от емкости АКБ. При достаточной емкости устройство перейдет на второй цикл (заряд) и зарядит аккумулятор, при отсутствии емкости на дисплее будут мигать прочерки.

↑ Наладка

После сборки и проверки правильности монтажа необходимо откалибровать Вольтметр.
Для этого подключаем АКБ, включаем питание, включаем один из режимов (заряд или разряд), устанавливаем индикацию напряжения, к клеммам аккумулятора подключаем образцовый Вольтметр и вращая ось резистора R11 добиваемся правильных показаний напряжения. Я использовал Вольтметр класса точности 0,5%, (Вольтметр Э544) и проверил линейность показаний на участке от 9 до 15 Вольт, показания совпадали на всем участке.

В МК используется внутренний тактовый генератор, производитель обещает точность частоты 1%, для любителей точности в архиве есть программа test.hex которая выводит на индикатор реальное время (в минутах). Используя эту прошивку можно поиграться с заводской переменной осциллятора и получить более высокую точность счета времени.

Программа написана так что у меня с заводской переменной за 30 минут погрешность менее 1 секунды.
Минуты выводятся в старших двух разрядах в шестнадцатеричной системе.

В ходе наладки выяснилось, что КРЕНки имеют разное напряжение на выходе (на R2 и R16), разница составила 0,2 Вольта. Для компенсации тока потребляемого МК (5 мА) с более высоким напряжением стабилизатор установлен на место DA1.

Если есть возможность, для проверки можно измерить ток заряда и разряда аккумулятора подключив амперметр в цепь АКБ. У меня получился ток заряда 605 мА, ток разряда 607 мА, измерял амперметром Э525. Токи получились больше расчетных т. к. не учтен ток светодиодов (R3, LED1 и R17, LED2), ток светодиодов можно уменьшить до1 мА, увеличив резисторы R3, R17 до 5КОм.

↑ Итого

Работой устройства остался доволен.
Проведя тестирование нескольких аккумуляторов получил реальные значения.

Если появится необходимость, в прошивке могу изменить пороговые напряжения, значение тока заряда-разряда или индикатор с ОК. Обращайтесь.

↑ Файлы

К статье в архиве приложены файлы:
 — Схема
 — Печатная плата
 — Тестовая прошивка
 — Рабочая прошивка
🎁file.zip  37.75 Kb ⇣ 289

Козлов Александр,
Сергиев Посад

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации